Требование опций standby и soft start обычно считается уместным в дорогостоящих моделях. Их неоправданно считают объектом удовлетворения капризов состоятельного покупателя. Это не совсем так, вернее, вовсе не так. Это скорее инструмент продления ресурса дорогих ламп и поддержания их стабильных свойств длительное время.
Переводя на язык общепонятный, standby — это режим готовности, режим ожидания до востребования. То есть лампы стоят в режиме либо пониженного токоотбора, либо напряжение на аноде уменьшено против рабочего и, следовательно, износ катода сведен к минимуму. Таким образом, ресурс ламп продлевается на то время, которое они «бесплатно» грелись и старели. К тому же появляется возможность почти мгновенного перевода усилителя в режим работы — музыка польется тут же, после нажатия кнопки или щелчка тумблера.
Soft start (ss) — плавный запуск, момент мягкого включения усилителя, гарантирующий неаварийные режимы всех его элементов, Исключается форсаж разогрева ламп, ударного воздействия на выпрямитель, силовой трансформатор и саму сеть питания. SS призван повысить надежность всего устройства не только при включении, но также продлить ресурс изнашиваемых элементов.
Кроме причин очевидных, вроде превышения мощности на аноде и сетках, перекала нити накала напряжением выше нормированного, подачи недопустимо высокого анодного или примитивного недоразумения при вытягивании лампы из панельки, можно указать еще пять неочевидных причин выхода ламп из строя.
• 1. Наиболее частой причиной смерти лампы является перегорание нити накала в момент подачи на нее полного накального напряжения. Бросок тока вследствие того, что сопротивление холодной нити в 5-7 раз меньше нагретой, если не сразу «убьет» лампу, то существенно снизит ее ресурс из-за циклического форсированного разогрева. В конце концов, лампу «хватит инфаркт» где-нибудь в пути, когда она честно трудится.
• 2. Отсутствие токоотбора при полной рабочей температуре чревато отравлением катода. Между никелевым керном и оксидом образуется слой силиката бария, имеющий высокое термо- и омическое сопротивление. Естественно, уменьшается эмиссия. Кроме того, из-за неравномерности толщины этого слоя, с участков эмитирующей поверхности электроны вылетают с разной скоростью. От этого дробовой шум, вызванный неодинаковым количеством электронов, покинувших катод в единицу времени, усиливается.
• 3. Вакуум в баллоне не абсолютен, в нем присутствуют остаточные молекулы и атомы газов, не удаленные за время вакуумирования. К тому же появляются новые из-за того, что элементы внутри баллона, да и само стекло, «парят». В момент появления анодного напряжения до начала эмиссии, случайные электроны, выдернутые мощным электростатическим полем, бомбардируют эти молекулы и ионизируют их. Ускоренные ионы устремляются на поверхность катода и «прорывают» его эмитирующую поверхность толщиной 1-2 атома. Эти дыры уменьшают эффективную поверхность катода и соответственно снижается его эмиссионная способность. Для сигнальных ламп этот процесс отмечается через повышение уровня шума (по природе мерцающие или фликкер шумы, не путать с дробовыми!), для мощных ламп — через «облысение» катода и потерю эмиссии. Геттер частично нейтрализует остатки газов и в большей степени тогда, когда нагрев катода происходит раньше подачи анодного напряжения. Геттер эффективнее, когда он горячий.
• 4. Неправильная ориентация лампы в пространстве (звучит как ориентация космического корабля!). Если для прямо-накальных это принципиально недопустимо, то для ламп косвенного накала необходимо избегать их горизонтальной установки. В этом случае возможно провисание сетки (других сеток) при нагреве и контакт ее с. катодом или анодом. В обоих случаях выход лампы из строя неминуем. Даже если лампу не запрещено устанавливать как угодно, то золотым правилом будет одно: она должна стоять вертикально! У перевернутых вниз головой ламп (в некоторых гитарных усилителях) остается вероятность оторваться от мастики, соединяющей баллон с цоколем. Весьма не редка ситуация, когда температура лампы такова, что припой в штырях расплавляется и баллон, ничем не удерживаемый, отваливается.
• 5. Пыль, грязь, следы от пальцев на баллоне, неумело сконструированные радиаторы — все это снижает степень лучеиспускания и ведет к перегреву анода. В некоторой степени грязь провоцирует образование на поверхности раскаленного стекла участков, где оно размягчается и баллон «схлопывает».
Впрочем, это все банальности, известные любому, кто хоть однажды заглядывал в книжку с теорией электровакуумных приборов . Кажется всего-то де-лов, стоит лишь придержать подачу анодного, пока медленно греется накал с катодом, а когда появится видимое вишневое свечение нити накала, клацнуть тумблером и — дело в шляпе. Как бы не так!
Во-первых: лень ждать всякий раз, когда включаешь музыку, иначе теряется весь кайф от мгновенно исполняемого желания. Это же не сенокосилка с ее рычагами, педалями и кнопками, и потому дисциплина оператора (словцо-то какое, зарубежное, к сенокосилке в самый раз подходящее!) машины многим просто претит.
Схема 1. Ограничение тока накала при включении
Схема 2. Уменьшение напряжения накала при включении
Во-вторых: завораживающие малиновые (рубиновые, охряные, цвета соломы или спелого арбуза, зависит от типа лампы и цветовосприятия) точки еще увидеть надо. А если усилитель придуман закрытым? Не станешь же с секундомером стоять, верно? Или с буханьем сердца отсчитывать томительные секунды, скорей бы они летели.
В-третьих: если включаете не вы, а скажем, ваша подруга. Тогда ваши объяснения способны испортить настроение не только на вечер, но навсегда. Она непременно сочтет вас занудой, уйдет к автомобилисту, и правильно сделает.
В-четвертых: даже если вы вручную задержите подачу анодного напряжения, то напряжение накала вы все равно включаете щелчком и тогда — см. пункт 1 неочевидных причин выхода из строя. Значит, нужна автоматика.
Автоматика для soft-start'a
Прежде всего это означает включение элемента токоограни-чения в цепь нитей накала. Самой простой реализацией окажутся схемы 1, 2, 3. Хотя в этом случае ударный ток все же будет, хотя и уменьшенный по амплитуде.
При наличии свободных контактов на исполнительном реле можно включить светодиоды, показывающие режим прибора на данный момент. Если использовать светодиод с встроенным мультивибратором, то время прогрева будет сигнализироваться красным и зеленым огоньками попеременно.
Если есть смысл питать накал постоянным током, используя при этом стабилизатор напряжения, то можно обойтись схемой 5. Мощность микросхемы будет зависеть от суммарного тока потребления и мощности, рассеиваемый на ее корпусе. Наши КрЕН на 5 или 6 вольт, LM7805, LM78MD5, поставленные на радиатор, вполне сгодятся.
Исполнительное реле получает сигнал управления от таймера. Обычно это 1006ВИ1 или NE555. Постоянная времени определяется произведением RC. Обычной практикой является использование R до 1 МОм, а емкость конденсатора до 100 мкФ. Усердствовать в увеличении R не стоит, так как ток утечки входа таймера может оказаться выше тока заряда емкости. А чтобы ток утечки конденсатора не путал карты, советую ставить либо хороший электролит (для этой цели вполне подходят тантало-вые, ниобиевые, оксидно-полупроводниковые; не смущайтесь, здесь они на звук не влияют), либо пленочные. Тип К73 — будет лучшим выбором (лавсановый диэлектрик). Время выдержки будет равно 0,6-0,75 Т и будет зависеть от ваших требований, хотя более 1-1,5 минут задерживать нет смысла (схема 4).
Автоматика для standby
Финский инженер и автор многих статей Юкка Толонен (Jukka Tolonen) представил в одном из номеров GA результаты экспериментов, отражающие время готовности схемы в зависимости от поданного на нити накала напряжения прогрева.
Схема 3. Включение нитей накала по следовательно
Из таблицы видно, что если напряжение прогрева будет больше 2,5 V, то звук появится после коммутации почти мгновенно (см. таблицу). Другие авторы рекомендуют поднять напряжение прогрева до 4 V, а также использовать это значение для режима standby, чтобы не было отравления катода при полном накале в отсутствие анодного тока. Величину сопротивления, как и его мощность, следует подобрать экспериментально. Если на полностью прогретом накале упадет 2,5-4 вольта, то резистор, последовательно включенный с ним, и будет изображать дальше демпфер при включении.
Подобные решения можно использовать для задержки анодного напряжения, однако учтите, что в этом случае требуется реле с высоковольтными контактами (рис. 7, 8).
Оригинально решен вопрос плавного запуска всей схемы в усилителях ф. Audio Research Ml00, М300, V70 и др. Основными демпферами здесь являются термисторы, включенные в цепь первичной обмотки силового трансформатора. При прогреве сопротивление их уменьшается, затем полностью шунтируется контактами реле (схема 6). Вообще автоматика Audio Research являет собой пример того, как нужно решать вопросы надежности и безопасности.
Автоматика для standby
Самые простые решения можно реализовать с помощью тумблера, контакты которого выдерживают высокое напряжение и большие токи. Правда, включать придется вручную. Впрочем, вполне допустимо использовать реле.
Просто и надежно
Наиболее демократичны схемы с кенотроном. В том смысле, что процесс прогрева его самым естественным образом замедляет время готовности. Если токовые запросы схемы усиления велики, скажем, 300-500 mA на канал, то подойдут 5Ц8С, 5Ц9С — убойные наши кенотроны. Для аппетита до 300 тА сгодятся 5Ц4С/5С4М и демпферные диоды 6Д20П, 6Д22С (см. схему 14). Последние два особенно пригодны в выпрямителях анодного напряжения, так как быстры и эмиссионная способность высокая.
Кенотрон чем хорош? Пока сам не прогреется, анодное питание не попадет на лампы схемы, а к тому моменту сами лампы уже будут готовы к работе. Плюс к этому отсутствует ударный зарядный ток при включении, если поставить кенотрон в виде демпфера сразу после выпрямителя. Но не после фильтра! Смотри схему 15.
Все мило, подача анодного происходит насколько возможно плавно, причем одним щелчком тумблера сети и такая «автоматика» работает надежнее не придумать. Однако взамен имеем три беды: 1) накалы демпферов жрут ток и не малый, в худшем — аж 5 Ампер! 2) демпферы жрут не только ток, но и напряжение. Падение на вакуумном диоде зависит от тока через него и запараллеленности половин. В кенотроне (двуханодном) их следует соединить параллельно, и не только ради уменьшения внутреннего сопротивления, но и с целью разгрузки теплового режима лампы Так вот, здесь можно потерять 20-50 вольт**. Значит следует предусмотреть запас напряжения на силовом трансе, либо отказаться от такого «неуклюжего изящества», например, шунтированием кенотрона. При этом не забыть отключить его накал! (Схема 16). Ко всему учтите, если все обмотки у вас на одном силовом трансформаторе, то он обещает превратиться в утюг, и «просесть» до неприличных значений выходного напряжения. Ведь какими бы толстыми проводами ни намотать накальные обмотки, ток в первичке сделает свое дело и величина напряжения, действительно приложенного в первичной обмотке, будет ощутимо ниже 220 V. Для этого случая предусматривают отводы в первичке, чтобы хоть как-то скомпенсировать это уменьшение. Беда № 3: кенотроны тоже лампы и ресурс их ограничен. Они потребуют замены при явном ослаблении эмиссии, хотя это все-таки дешевле, чем замена выходных (и входных тоже) ламп.
Есть еще одна беда, побороть которую не сложно: при использовании кенотронов прямого накала с питанием накала переменным током, возникает проблема колебаний анодного тока. Это происходит вследствие малой тепловой инерции, когда нить накала успевает дважды за период раскалиться и остыть; с той же частотой колеблется эмиссия, а стало быть, и ток анода будет колебаться. Лечение этого недуга показано на рис. (схема 17). Подробнее об этом в книге В. Ф. Власова «Электровакуумные приборы» за 49 год, стр. 129.
Но, если вы окончательно решили долететь до Солнца и по выражению В. Хлебникова —• «отъявленный Суворов», плюньте на кремний и демпферы, ставьте прямонакальные кенотроны. Из достаточно мощных остался 5ЦЗС. Устаревшие ВО-183 (аналог RCA83, весьма популярного), немецко-венгерские серии AZ, EZ, а также ртутные — это для гурманов. Я особого звука в них не ищу. Так вот, в «Ongaku» из гурманов гурман — Хироясу Кондо — применил 5AR4, включенные мостом, для получения 960 V от трансформатора с двумя обмотками по 360 V. Естественно, по схеме со средней точкой этого не добиться, иначе пришлось бы использовать либо схему умножения, либо ценой применения кенотронов с косвенным накалом. А как же чистота идеи? Оказывается, можно слегка поступиться принципами, если очень хочется. Это я к тому, что особого смысла в прямонакальности кенотронов не вижу (схема 18).
Я использую кремниевые диоды и вакуумный демпфер. Перед ним ставлю еще маленькую емкость 4-10 мкФ типа МБГЧ или бумагу в масле (КБГ-МН и др.) и считаю (возможно ошибочно), что это помогает звуку. Объясняю тем, что это линеаризует характеристику передачи диода, поскольку диапазон изменения тока через него уменьшается (пульсации ослабляются конденсатором), а во-вторых, появляется лишнее звено фильтрации, в виде достаточно линейного и почти активного резистора (вакуумный диод с низким внутренним), который грех не использовать по схеме я-фильтра. Если, при этом, он скоростной, как демпферный диод для строчной развертки, то проблем с выбросами на кромке разряда не возникает. При выпрямлении только полупроводниками, даже если они скоростные, вроде HEX FRED, выбросы хоть и ослабляются элементами фильтра, но в виде широкополосной помехи все-таки попадают на аноды ламп. Этот прием уже можно рассматривать, как борьбу за питание ради питания, так что пусть он станет отдельной историей. Наконец, в качестве живого примера — реализация автоматики в усилителе PROTOTYPE представленного на выставке РХЭ'99. Ее автор — А. Пугачевский.
Сх. 19. Схема автоматики softstart и standby в усилителе «Prototype». Упрощенный вариант
Выводы
Мы не ставили себе задачу дать полную, исчерпывающую схему Soft start'a и Standby'n, пригод-
ную на все случаи жизни. К тому же остались за бортом некоторые решения, освещать которые
довольно затратно по времени, а пользы они дают чуть. Так что пусть каждый выберет себе
решение по вкусу и по плечу. Стоит обратить внимание вот на что: напихать автоматики
побольше — не самоцель. Субъективные оценки звучания аппарата от этого не сдвинутся на много, но она (автоматика) является показателем заботы производителя о покупателе. Чтобы, спустя время, у него не возникло головных болей и, соответственно, у вас.
Автор: А. Белканов, А. Пугачевский (журнал "Вестник АРА")
